Modeling and control of thawing phenomena in solute-impregnated frozen foods

This work was designed to give a better understanding and control of the mechanisms of simultaneous thawing and mass transfer occurring in a material in isothermal contact (T<0°C) with an aqueous freezant. Two models of heat and mass transport in a porous medium were developed, one solved numerically and the other analytically. Despite different levels of simplification of the phenomena, simulations using both models demonstrated similar mechanisms, including the progress of a sharp thawing front separating a frozen, non-impregnated inner layer from a thawed, highly impregnated outer (surface) layer. The work contributes not only to our understanding of the underlying mechanisms but also develops a very simple tool for predicting thawing/impregnation phenomena during cold immersion storage. The time-course changes in the thawing front and solute gain obtained experimentally with apple pieces and those predicted by the analytical model were in good agreement, with only two food structure variables being identified for this purpose. The effect of process variables predicted by the analytical model was consistent with trends previously observed with real food, for instance an absence of thawing if the food was stored in a biphasic mixture. / Ce travail apporte une meilleure compréhension et un meilleur contrôle des mécanismes sous- jacents aux transferts de matière et à la décongélation qui prennent place simultanément au sein d'un produit en contact isotherme (T<0°C) avec une solution aqueuse réfrigérante. Deux modèles de connaissance des transferts de chaleur et de matière au sein d'un milieu poreux ont été développés à cet effet, l'un étant résolu de manière numérique et l'autre de manière analytique. Malgré des niveaux de simplification différents des phénomènes, les simulations données par ces deux modèles mettent en évidence des mécanismes similaires, incluant l'avancement d'un front de décongélation séparant une zone complètement décongelée et fortement imprégnée en surface, d'une zone encore non imprégnée et complètement congelée. Les résultats de ce travail contribuent non seulement à une meilleure compréhension des mécanismes sous- jacents, mais fournissent également un outil simple de prédiction des cinétiques de décongélation/imprégnation au cours d'un stockage par immersion. L'avancement du front de décongélation et la cinétique d'imprégnation en soluté obtenus expérimentalement sur des morceaux de pommes ont pu ainsi être reproduits par le modèle analytique de manière très satisfaisante. Seulement deux variables liées à la structure du produit ont été identifiées à cet effet. Par ailleurs l'influence des variables du procédé prédite par le modèle analytique est tout à fait cohérente avec les observations faites antérieurement sur des aliments réels stockés par immersion, entres autres l'absence de décongélation lors du stockage dans un mélange biphasique (liquide+cristaux de glace).